引言

現(xiàn)如今,無人機、無人車技術(shù)發(fā)展得越來越成熟,實實在在地服務了眾多行業(yè),軍事上用于偵查監(jiān)測,民用上用于送快遞、電力巡檢等。但在應急救急這個特殊需求上,由于涉及環(huán)境或惡劣、或不確定因素極多,無人機與無人車各自獨立的分工難免呈現(xiàn)出各自的缺點,無人機在惡劣環(huán)境下,例如氣流變化大的情況下,其續(xù)航時間大大減少且運輸不穩(wěn)定、載重有限,無人車則面對著難以實現(xiàn)宏觀掌控、導航搜索時間長、建圖效率低等問題,如此兩者獨立工作時都顯得效率低下。

然而,空地協(xié)同能很好地解決上述問題,兩者可以相互協(xié)作,取長補短。在救災工作中,無人車續(xù)航時間長,負載能力強,可搭載功能多,適合作為執(zhí)行任務的主體:而無人機機動性強,能快速升降、多角度飛行,探索地形信息快,能夠快速建立地圖、從宏觀上掌控地理信息,適合為無人車提供有效的環(huán)境信息與行走路線。

本文將探討無人機與無人車協(xié)作導航系統(tǒng)的設計,期望利用無人機和無人車的優(yōu)勢互補,通過相互合作以高效地完成復雜地形的路徑規(guī)劃任務,節(jié)省對未知地形的探索導航所花費的時間成本,提升任務完成效率與成功率。下文將從硬件設計、導航系統(tǒng)設計兩方面進行闡述。

1協(xié)作系統(tǒng)組建

如圖1所示,本系統(tǒng)主要由三大部分組成:無人機、地面站和無人車。無人機在原有的飛行器控制模塊基礎上,增加RGBD傳感器、板載計算機以及wiFi通信模塊:地面站搭載了計算機、顯示器以及wiFi通信模塊:無人車搭載了微型計算機、運動控制器、編碼器以及wiFi通信模塊。

其中,RGBD傳感器包含可見光相機和深度相機兩部分,RGBD傳感器可以同時采集每個像素點的紋理及對應的深度信息,直接獲得飛行環(huán)境的三維點云數(shù)據(jù),并且深度信息的同步捕獲彌補了可見光相機的先天不足,使得該傳感器非常適用于3D環(huán)境的SLAM問題?；贛IT現(xiàn)有的研究,已有了非常成熟的無人機視覺導航系統(tǒng),它通過融合RGBD和飛行控制模塊中的IMU等傳感器進行構(gòu)建,其效果是可以在沒有GPS定位信息的情況下實時構(gòu)建飛行環(huán)境的三維模型。本文將該視覺導航系統(tǒng)進一步拓展應用到無人機引導無人車的系統(tǒng)上,無人車、無人機以及地面站所分別搭載的計算機均進一步搭載ROS系統(tǒng),構(gòu)建三個不同的節(jié)點,通過節(jié)點發(fā)布與訂閱消息建立分布式計算系統(tǒng),并且三者所搭載的wiFi通信模塊剛好用于三個節(jié)點之間的通信。無人車作為執(zhí)行任務的主體,它所搭載的微型計算機、運動控制器與編碼器共同組成一個運動控制系統(tǒng)。

2協(xié)作系統(tǒng)的工作方法

協(xié)作系統(tǒng)的設計總體而言為利用無人機攜帶的RGBD傳感器、IMU傳感器和板載計算機(ROS系統(tǒng))進行SLAM,采集一片區(qū)域獲得地理環(huán)境信息,再通過wiFi通信模塊發(fā)送到地面站,由地面站的計算機集中處理環(huán)境信息并規(guī)劃出最優(yōu)路徑,再通過wiFi通信模塊發(fā)送優(yōu)化后的航行路線到無人車的計算機,從而輸出運動信息給無人車進行導航。

根據(jù)現(xiàn)有的研究,視覺導航系統(tǒng)采用的方法可以概述為基于特征點匹配的方法。首先使用RANSAC算法獲得環(huán)境特征點的匹配關(guān)系,然后從深度圖中讀取特征點的深度信息,可直接獲得特征點的3D坐標,求解兩幀間相機的位姿變化,進而形成環(huán)境的三維點云數(shù)據(jù)。

地面站設在陸地上方便接收無人機與無人車信號的地方,其搭載高性能的計算機,依靠強大的計算力快速對地圖進行點云處理、路徑規(guī)劃,減少地圖生成的延時性,同時通過顯示器還可以實時顯示導航情況,對小車狀態(tài)進行監(jiān)控。

其路徑規(guī)劃方法為,先采集特定區(qū)域的點云地圖,投影到二維平面轉(zhuǎn)換出柵格地圖,黑色為障礙物,顏色較深的灰色塊為危險區(qū),顏色再淺一點的是可行區(qū)域,然后采用荷蘭計算機科學家DijkStra于1959年提出的用來求得從起始點到其他所有點最短路徑的算法,每一次的計算都查找與該點距離最近的點。

假設小車的起點為源點,地圖上的目標點為終點,以源點為中心向外層層擴展(廣度優(yōu)先搜索思想),直到擴展到終點為止,依據(jù)此算法計算出來的最短路徑即無人車的循跡路線。

3結(jié)語

本協(xié)作導航系統(tǒng)的設計目的是充分利用無人機在空中能夠快速建立地圖的優(yōu)勢與無人車地面續(xù)航時間長的優(yōu)勢,使得無人機幫助無人車規(guī)避障礙物,快速到達終點,完成對未知地形的快速導航。對于未來群體異構(gòu)機器人的合作、路線規(guī)劃,機器人協(xié)作導航探索提供了一個新的思路,希望本研究能夠節(jié)省對未知地形探索導航所花費的時間成本,提升任務完成效率與成功率。